内蒙古大学化工原理ppt 1

1、 化化 工工 原原 理理 A（一）（一） 主讲：张晓红主讲：张晓红 20201414年年9 9月月 3. 浙江大学 化工原理 谭天恩参考教材参考教材: :4. 化学工业出版社 化工原理 王志魁1. 天津科学技术出版社天津科学技术出版社 化工原理化工原理 夏清夏清 贾绍义等贾绍义等2. 华东化工大学 化工原理 陈敏恒2. 掌握本课程经常使用的单位制及单位换算的方法；绪绪 论论1.了解单元操作的分类、理论基础及工程研究方法。任务任务:重点重点:3. 明确单元操作中常用的几个基本概念。1.了解化工原理 的研究内容，性质和任务；2. 单位制度和单位换算。(一一) 化工生产特点化工生产特点一、本课程的研

2、究内容，性质及任务一、本课程的研究内容，性质及任务 从石油炼制、基本有机、无机化工到染料、医药、橡胶、塑料乃至冶金及食品等行业，均与化工生产有关。2. 化工产品的多样性：化工产品的多样性：无机产品无机产品: 103104种有机产品有机产品:自然界已知存在的约300400万种；结论结论:由于这些产品的多样性，决定了化工生产的复杂性和特殊性。已能人工合成的约200250万种；1. 多行业性多行业性:3. 共同性共同性:各工艺均由多种特定的操作步骤构成并有相应的设备。不同的工艺路线中常存在有相同的操作步骤及单体设备，相似的操作方法及操作条件。这种共同性为化工原理作为一种学科来研究提供了可能a. 从每

3、条生产工艺线的纵向看：从每条生产工艺线的纵向看：b. 从各生产工艺的横向看：从各生产工艺的横向看：例如: 化工中典型的“三酸”的生产化工原理化工原理是以单元操作为主线，研究单元操作的是以单元操作为主线，研究单元操作的基本原理、所用典型设备的结构、设备工艺尺寸的设计计基本原理、所用典型设备的结构、设备工艺尺寸的设计计算或选型。算或选型。化工中典型的化工中典型的“三酸三酸”的生产工艺的生产工艺A、硝酸生产硝酸生产氨气过滤空气氧化换热压缩氧化吸收I吸收II浓硝酸浓硝酸B、硫酸生产硫酸生产 S/FeS2 流化焙烧换热氧化吸收I吸收II浓硫酸浓硫酸C、盐酸生产盐酸生产液体NaOH食盐溶解过滤电解蒸发结晶

4、固体烧碱H2Cl2燃烧换热吸收I吸收II浓盐酸浓盐酸(二二) 化工过程与单元操作化工过程与单元操作:概念、关系、分类概念、关系、分类1. 概念概念:（1）化工过程）化工过程即化工生产过程。其核心是反应过程及设备。各种前处理各种前处理原料原料化学加工化学加工各种后处理各种后处理产品产品中间产品中间产品物理变化过程目物理变化过程目的：的：除去杂质，达到必要的纯度、温度和压力化学变化过程化学变化过程( (反应过程反应过程) )：通过化学反应生成新的物质分离过程（物分离过程（物理变化过程）：理变化过程）：过滤、精馏、吸收 、干燥等（2）单元操作）单元操作指不包括化学反应的、组成化工生产过程或工艺的各个

5、物理操作基本单元。单元操作的基本特点单元操作的基本特点:单元操作为化工原理 (Principles of Chemical Engineering) 所要研究的对象与内容；单元操作是保证化工过程能够经济有效地进行的必要前提。都是物理性操作，只改变物质的状态和物理性质，不改变化学性质。都是化工生产中共有的操作，但不同的化工过程所包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异。某单元操作用于不同的化工过程，其原理并无不同，进行该操作的设备往往也是通用的。常见单元操作有：常见单元操作有： 流体输送、沉降、过滤、离心分离、搅拌、传热、蒸发、吸收 、精馏、萃取、结晶、干燥、膜分离等。单元操作的分类单元操作的分类

6、() 按单元操作的目的分类按单元操作的目的分类2.物料的混合与分散：流体搅拌均相物系： 精馏，吸收非均相物系：过滤，沉降4.物料的分离与精制1.物料的增压、减压及输送： 流体输送，泵和风机3.物料的加热与冷却：传热，换热器()()按操作单元的内在基础理论分类按操作单元的内在基础理论分类遵循流体动力学基本规律的动量传递过程。 以流体力学为基础，研究流体流动及流体和与之接触的固体壁面间发生相对运动时的基本规律。 典型的单元操作有：典型的单元操作有：流体输送、沉降、过滤、离心分离、搅拌、固体流态化等。遵循传热基本规律的热量传递过程。 以热量传递理论为基础，研究传热的基本规律。 典型的单元操作有：典型

7、的单元操作有：加热、冷却、冷凝、蒸发等。遵循传质基本规律的质量传递过程。 以质量传递理论为基础，研究物质通过相界面发生迁移过程的基本规律。典型的单元操作有：典型的单元操作有：蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶等。（3）化工过程与单元操作之间的关系）化工过程与单元操作之间的关系 多个单元操作与化学反应核心步骤组成一个完整的化工生产工艺流程。基本形式如下基本形式如下:（“ ”表示能量、物料、质量总体流向）（反应合成）（物料后处理或精制） （物料预处理）物理操作 化学反应核心化学反应核心物理操作基本单元基本单元1 2 N N1 M内容与任务：内容与任务：以传递理论为基础,以单元操作为对象,对过程规律

8、进行研究，着重考察各单元操作过程中的质量、热量及动量传递规律，从而达到如下目的：(三三) 化工原理课程性质，内容与任务化工原理课程性质，内容与任务1.掌握描述过程规律的正确方法，培养运用基础理论分析和解决各种单元操作中各种工程实际问题的能力；4.组织和管理生产，强化、调节或控制过程进行的程度。3.根据过程规律，正确地设计相应的单元设备（设计计算）；2.选择适当的设备来完成指定的单元操作任务（选型计算）；是化工技术人员所必须熟练掌握的基本理论知识和专业技能。课程性质：课程性质：介于基础课与专业课之间的桥梁课程技术基础课二、常用的单位制与单位换算二、常用的单位制与单位换算任何物理量都是数字和单位联

9、合表达的：单位数字物理量单位：单位：描述某物理因素或物理量大小的度量衡。(一一) 基本概念基本概念2. 基本物理量基本物理量: 以方便为原则定出的几个彼此独立的物理量。 其单位为基本单位。3.导出物理量导出物理量: 由基本物理量根据定律或定义导出的物理量。 其单位为导出单位，由基本单位组合而成。1.单位制：单位制：基本单位与导出单位的总和。 基本基本 单位单位单位制单位制 长度长度L 时间时间T 质量质量M温度温度t 或或 电流电流I 光强光强B 或或J绝对制绝对制 (物理制物理制cgs） cm m s s g kg 工程制工程制（重力制）（重力制） m h力力F kgf国际制国际制(公制公制

10、SI制制) m s kg物质的量物质的量 mol K A cd常常 用用 单单 位位 制制( (二二) )常用单位制常用单位制本课程及相应计算建议并推荐使用SI制。 基本单位基本单位7个。个。 其中：力学范畴m、kg、s；热力学范畴K；化学和分子物理学范畴mol；光学范畴cd；电学范畴A。 常用的导出单位：常用的导出单位： Pas（粘度） 、 Pa（N/m2）（压强）、m/s（速度） J(Nm)（能量 ）（热 、功）、 W（J/s）（功率）等。 常用冠词表示倍数或分数：常用冠词表示倍数或分数：M（106、兆）、K（103、千）、h（102、百）、da（101、十）、d（10-1、分）、c（10

11、-2、厘）、m（10-3、毫）、（10-6、微）、n（10-9、纳）。SI制：制：( (三三) )单位换算及计算中的一般方法、注意点单位换算及计算中的一般方法、注意点(1) 单位制度的正确运用单位制度的正确运用 统一单位制度：统一单位制度：数据+单位计算。 理论公式理论公式根据物理规律建立的物理量方程。 规定单位：数据计算规定单位：数据计算 经验公式经验公式根据实验结果整理建立。(2) 单位换算方法单位换算方法 根据换算因数换算：根据换算因数换算：适用于简单物理量的换算。 单位逐个换算：单位逐个换算：将复杂的单位分解成简单的单位逐个换算。适用于导出单位。 课堂练习课堂练习1一标准大气压一标准大

12、气压(1atm)的压强等于的压强等于1.033kgf/cm2，将其换算，将其换算成成SI制单位。制单位。解：解：1 kgf =9.81 N，1 cm=0.01 m，则：，则： Pa.m/N.mkgfcmcmNkgf.m.cmkgfN.cmkgf.tma52522222310013110013110081903310101181903311 系 统IEA( (一一) )守恒定律与系统的衡算问题守恒定律与系统的衡算问题1.衡算总原则衡算总原则: 质量,热量及动量守恒定律适用于任何考察体系A.其一般表达式为其一般表达式为:C.当系统处于稳定状态时，衡算一般当系统处于稳定状态时，衡算一般 可用常量代数

13、方程求解； B.对于有多股物料进入和输出系统时，则对于有多股物料进入和输出系统时，则: IEA 三、单元操作中常用的基本概念三、单元操作中常用的基本概念 IED. 当系统处于非稳态过程时，采用微分方程进行当系统处于非稳态过程时，采用微分方程进行 即进行dt 微分时间间隔中的守恒计算。进入系统的量进入系统的量I离开系统的量离开系统的量E系统生成或累积损失量系统生成或累积损失量A=+2. 衡算三要素衡算三要素A. 衡算对象衡算对象可以选用能量，质量（物料），组分或某一元素B. 衡算基准衡算基准常选用：常选用：单位时间,单位体积,单位质量,单位面积等作为基准。C. 衡算系统范围及边界衡算系统范围及边

14、界常用方框标示,然后以方框为边界,对所讨论的过程进行定量分析。间歇操作：间歇操作：以一批物料为基准连续操作：连续操作：以单位时间为基准注意：注意：热量衡算也要规定出衡算基准和范围。因焓是相对值，基准温度习惯上选0，规定0时液态的焓为零。 (二二) 平衡关系平衡关系 ( equilibrium relation) 平衡状态是自然界广泛存在的现象。平衡关系可以用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。 在化工生产过程中，可以从物系平衡关系来推知其能否进行以及进行到何种程度。平衡关系也为设备尺寸的设计提供了理论依据。(三三) 传递速率传递速率 (rate of transfer proce

15、ss)）阻力（阻力（）推动力（推动力（传递速率传递速率cetanresiscedrivingfor 决定化工设备的重要因素，传递速率越大，设备尺寸越小 任何一个不处于平衡状态的物系，必然发生使物系趋向平衡的过程，但过程以什么速率趋向平衡，这不决定于平衡关系，而是由多方面的因素影响的。(四四) 经济核算经济核算四、四、研究方法研究方法两条主线两条主线（1）统一的研究对象）统一的研究对象传递过程传递过程 动量传递过程（单相或多相流动）；热量传递过程（简称传热）；质量传递过程（简称传质）。传递过程成为统一的研究对象，也是联系各单元操作的一条主线。 “三传”+“一反” 构成各种化工工艺制造过程。（2）

16、研究工程问题的方法）研究工程问题的方法 每个单元操作都是在特定的设备中完成的，设备复杂的几何形状和多变的物性及各种不确定因素的干扰，不可能对实际过程进行准确的数学描述。由此产生了两种基本的研究方法： 实验研究方法 实验法或经验法 数学模型法 半理论半经验的方法第一章第一章 流体流动流体流动(2) 揭示和研究流体流动的基本规律(柏努利方程和连续性方程)本章任务：本章任务：(1) 揭示和研究流体静态平衡规律(静力学基本方程式)(4) 理论应用：管道设计与计算、阻力计算、压强和流量测定等(3) 研究流体阻力及产生原因三三 传传质量传递质量传递: : 伴随流体流动引起的质量变化动量传递动量传递: 流体

17、流动过程所引起的动量变化热量传递热量传递: 随流体流动过程引起的能(热)量变化基本概念基本概念: :1.流体流体 具有流动性质的物体，常指气、液。固体在一定条 件下也具流体性质(流态化)。特质：特质：不定形、易于流动。2.质点质点大量分子构成的集团，但其大小与管路或容器的几何尺寸相比仍然微不足道，常称为微团。3.连续介质连续介质流体是由大量的彼此无间隙的流体质点构成，流 体质点连续布满整个空间，从而流体的物理性质和运动参数在空间上也是连续分布的。 (1) 不可压缩流体不可压缩流体 密度受压力和温度影响很小的流体。(2) 可压缩流体可压缩流体 密度受压力和温度影响的流体。),(PTf),(PTf

18、通常认为：液体为不可压缩流体，气体是可压缩流体。4. 流体分类流体分类第一节 流体静力学基本方程022.4M000T pTp0273.15TKmpMVRT1-1-1 密度的概念密度的概念一、一、 密度密度单位体积物质（流体）所具有的质量单位体积物质（流体）所具有的质量属于物性；SI制单位：kg/m3影响密度的主要因素：影响密度的主要因素： = f (T , P)1. 液体：液体： f（T）（即不可压缩流体）（若为理想气体）高温、低压下：查物性数据手册公式计算标况与其它状况间换算关系：2. 气体：气体： = f (T, P)标况：0101.325apkPmV混合液体混合液体:混合理想气体混合理想

19、气体:11mniiix前提：混合体积 V = vi 1mniiiy前提: P = pi mmp MRTiiMyMm其中：xi 第 i 组分质量分率；i 第 i 组分密度 ；yi 第 i 组分气体的体积或摩尔分率 ；Mi 第 i 组分气体分子量。 3. 混合流体密度的可按下列计算混合流体密度的可按下列计算:式中：式中：二、比重（相对密度）二、比重（相对密度）式中单位： (工程制) (SI制) r kgf /m3 N/m3 kgfs2/m4 kg/m3 g 9.81 m/s2 9.81 m/s2KOHd2772KOHtCd27742或34277/100022mkgCOHKOH无因次三、三、 比容比

20、容: = 1/ 单位质量流体所占有的体积，m3/kg四、四、 重度重度: r = g d 某流体密度与4水的密度之比1-1-2 液体的压力（压强）液体的压力（压强）2压强表示方法压强表示方法 atm (标准大气压)、at (工程大气压)、流体柱高度、 N/m2 (Pa)、kgf/cm2 等。注：注：1标准大气压标准大气压 (0、纬度45海平面为基准) 1 atm=101325 Pa=101.3 KPa=0.1013MPa =10330 kgf/m2=1.033 kgf/cm2=10.33 mH2O=760 mmHg 1 at=1 kgf/cm2=98070 N/m2=10 mH2O=735.6

21、 mmHg=0.9807 bar 1压强定义压强定义 p =P/A垂直作用于流体单位面积上的压力称为压强。静止流体中的压强称为静压强静压强如常用： 1.0 atm（表） 360 mmHg（真） 0.07 MPa（表） 2.0 atm （绝）4. 表压、真空度、绝对压与大气压的关系表压、真空度、绝对压与大气压的关系 P表表 = P绝绝 P大大 = P绝绝 Pa P真真 = P大大 P绝绝 = Pa P绝绝 = P表表 以绝对真空为基准：绝对压强，是流体的真实压强。以大气压为基准：3压强测量：压强测量： 常用测压仪器：常用测压仪器：压力表（或真空表）、液柱压差计。 压力表压力表(表压表压)：表内（

22、实际）压强比表外大气压强高出的值。真空表真空表(真空度真空度)：表内（实际）压强比表外大气压强低出的值。注意：注意：凡用压力表所测压力均为表压 P（表），原因是由于压 力表是大气中制造的，故以大气压定为基准点 (零点）。一端与大气相通的单管或U型管压差计亦如此。表压强、绝对压强、大气压强、表压强、绝对压强、大气压强、 真空度关系图示：真空度关系图示：P2P1流体压强测量仪表流体压强测量仪表1-1-3 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式概述：概述：流体在重力与压力作用下达到平衡，呈现静止状态， 否则，将产生流动。流体静力学基本方程探讨静止流体在重力作用下内部压强的变化规律。1. 流体的静力

23、平衡流体的静力平衡 静止流体内部任一点的压强，称为该点流体的静压强。特点：特点： 从各个方向作用于某一点的流体静压强相等。 若通过该点指定一作用平面，则压强的方向垂直指向该平面。 在重力场中，同一水平面上各点的流体静压强相等，但随位置高低而变。推导推导: 按微元流体的力平衡分析按微元流体的力平衡分析流体静止时，作用于流体微元体积上的力构成平衡，即: CZgp 向下向上AdppAdzgAp )( 0 dZgdp 不定积分不定积分:定积分定积分:hgZZgpp )(2112(1)(2)总势能守恒Ap+dppFdZ21dxdyZ1Z2hgpZZgpp 12112)(若以能量形式写出若以能量形式写出:

24、2211ZgpZgp 适用范围适用范围:(3)反映重力场作用下，静止流体内部压力的变化规律。1. 静止流体；2. 为常数或对不可压缩流体而言；3. 必须是连续的同一种流体。 (3) 压力或压力差可用流体柱的高度表示压差计设计原理 (4) 同一静止连续流体处于同一水平面时，压强（压力）相等。hZZZgpp2112等压面， 解题关键必须注明是何种液体 结论结论:(2) 液面上方的压强能在液体内部等量传递帕斯卡原理(1) 静止流体内部某处的压强与其所在深度z 和流体的密度 有关。位置愈深，所受的压强（压力）越大； hgpp12 1-1-4 流体静力基本流体静力基本方程的应用方程的应用流体静力学基本方

25、程的物理意义流体静力学基本方程的物理意义(1) 总势能守恒总势能守恒 (p1/ + gZ1 = p2/+ gZ2 = 常数常数) p/单位质量流体所具有的静压能（J/kg） gz 单位质量流体所具有的位能（J/kg）； ( p/ + gz )总势能。在同一种静止流体中不同高度上的点其静压能和位能各不相同，但总势能保持不变。 ( 2) 等压面等压面 在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强都相等，压强相等的水平面称为等压面。hgppghpp00(3) 传递定律传递定律 由 知， po 改变时，液体内部各点的压强也以同样大小变化。即液面上方的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点（帕

26、斯卡原理）。0+ppgh(4) 液柱高度表示压强（或压强差）大小液柱高度表示压强（或压强差）大小 由 知，压强或压强差的大小可以用一定高度的液体柱表示（液柱压差计原理），但必须注明是何种液体。例：760mmHg、10mH2O柱 。适用条件：适用条件：静止的连通着的同一种连续流体。11222+=AaAappghghppgh一、压强或压强差的测量一、压强或压强差的测量 液柱压差计液柱压差计利用流体静力学原理测量流体压强或压强差的仪器。注意：注意： 若差压计的一端与被测流体相连，另一端与大气相通，则显示值是测点处流体的绝对压强与大气压强之差，即为表压强或真空度。指示液要求：指示液要求： 与被测流体密

27、度不同，不互溶，不反应，且易于观察。常用指示液：测量液体常用指示液：测量液体用Hg( =13600kg/m3) 测量气体测量气体用H2O 1. 普通普通U型管压差计型管压差计:根据流体静力学基本方程式可得：1B()appg mR2BAappgmgR 于是 1B2BA()pg mRpgmgRBA上式化简，得12AB()()fppgRgR示若被测流体为气体，由于气体的密度比指示液的密度小得多，气体的密度可以忽略12AppgRgR示若U管的一端与被测流体连接，另一端与大气相通，此时读数反映的是被测流体的表压力。2. 倒置倒置U型压差计型压差计 (当当 示示 f 时时)(1) 利用气体作指示剂利用气体

28、作指示剂(2) 采用其它指示剂采用其它指示剂gRppf)(21气气 gRppf)(21示示 0p1p2aRbf示示0p1p2aRbf气气指示剂为气体，0很小，gRppf 213. 倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计:式中 为倾斜角，其值越小，R1值越大。即gsinRppf)(121 示示sin/1RR p1 R1 p2 R 示 倾斜式压差计倾斜式压差计 应用：应用：当压差 p 较小时，可得到较大的读数 R。可知: 当 p1p2 压差很小时，若此时示较大且 f 较小，则 R将很小，难以准确读数，为了增大R 。要求要求:此时：4. 双指示液双指示液U形管压差计形管压差计微压压差计微压压差计由式:方法二方

29、法二: 采用微压差计。方法一方法一: 可以尽量选用密度与被测流体相近的指示液。(1) 双指示液a、 b相近。(2) AB、AC、BC流体之间不互溶(3) 水库面积/U管截面100，从而库面液位变化可忽略。12AB()()fppgRgR示BC12()abppgR5. 复式复式U形管压差计形管压差计 应用：应用：适用于压差较大，而测量空间高度有限，这样，通过串联方式可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。特殊地：若特殊地：若 则则 p0g(R1+R2+Rn)推导：推导：指示液 0 被测流体 ，则： p0=p4 g(h5 h4) p4=p3+0g(h3 h4) p3=p2 g(h3 h2) p2=pa

30、+0g(h1 h2) p0=pa +0g (h3 h4 +h1 h2) g(h5 h4 +h3 h2)整理得：整理得：p0 pa =0g (h3 h4+h1 h2) g(h3 h4+h5h2) =0g (R2+R1) g(R2+h5 h2)PaR1R243210二、其它应用二、其它应用1. 液位的测量液位的测量液位计液位计 (1) 简单液位计：简单液位计： 结构：结构：于容器底部器壁及液面上方器壁处各开一小孔，用玻璃管将两孔相连接。玻璃管内所示的液面高度即为容器内的液面高度。 缺点：缺点：易于破损，而且不便于远距离观测。H(2) 液柱压差计：压差法测量液位液柱压差计：压差法测量液位HPf)()

31、(RHgPgRhHgPfAf 测量原理的推导测量原理的推导:ffAffARggRh)()(求得:结构：结构：于容器或设备外边设一个称为平衡器的小室，用一装有指示液的U管压差计将容器与平衡器连通起来，小室内装的液体与容器内的相同，其液面的高度维持在容器液面允许到达的最大高度处。根据静力学基本方程:若容器离操作室较远或埋在地下，可采用远程测量装来测量其液位。abpp鼓泡式液位测量装置示意图鼓泡式液位测量装置示意图(3) 鼓泡式液柱测量装置：鼓泡式液柱测量装置：所以有：pa= pb pa= gh； pb= A gR以表压表示：h= AR/ 由于吹气管内氮气的流速很小，其密度也很小，故近似认为：2.

32、液封液封 利用液柱高度封闭气体的一种装置。它是生产过程中为了防止事故发生，为了安全生产而设置的一种装置。(1) 安全液封安全液封 在化工生产中，为了控制设备内气体压力不超过规定的数值，常常使用安全液封装置(或称水封装置)。这样，当设备内压力超过规定值时，气体从液封管自动排出，确保设备安全。液封种类：液封种类：解：解：当炉内压强超过规定值时，气体将由液封管排出，故先按炉内允许的最高压强计算液封管插入槽内水面下的深度。 为安全，实际安装时管子插入水面下的深度应略小于1.09m。 例例 如图示，某厂为了控制乙炔发生炉a内的压强不超过10.7103 Pa (表压)，需在炉外装有安全液封装置。试求此炉的

33、安全液封管应插入槽内水面下的深度h。p1= 10.7103Pa (表压) ； p2= ghp1= p2 , 由于31()10.7 10=1.091000 9.81phmg表(2) 溢流液封溢流液封: 封住气体，让液体从塔内流出，防止外界空气进入而降低设备内的真空度。作业作业：78页2，4，6 例例 真空蒸发操作中产生的水蒸气，往往送冷凝器中与冷水直接接触而冷凝。为了维持操作的真空度，冷凝器上方与真空泵相通，不时将器内的不凝性气体（空气）抽走。同时为了防止外界空气由气压管漏入，致使设备内真空度降低，因此，气压管必须插入液封槽中，水即在管内上升一定的高度h，这种措施称为液封。若真空表的读数 801

34、03 Pa，试求：气压管中水上升的高度 h。 解：解：设气压管内水面上方的绝压为 p，作用于液封槽内水面的压强为大气压强 p0。根据流体静力学基本方程知：式中：p0 p=真空度= 80103 Pa则：则：0ppp0=p + gh0pphg3080 10=8.151000 9.81pphmg第二节 管内流体运动的基本方程及守恒原理1. 研究流体在什么条件下流动。研究流体在什么条件下流动。 3. 理论应用理论应用 2. 流动过程中流体物理量（流动过程中流体物理量（u、P 或或 E）的变化规律。的变化规律。任务任务:连续性方程连续性方程: 质量衡算柏努利方程柏努利方程: 能量衡算 确定流量； 输送设

35、备的有效功率； 相对位置； 管路中的压强。1-2-1 概念概念一、流量与流速一、流量与流速: 1. 流量流量 单位时间流过管路某一截面的流体体积或质量体积流量体积流量:SI单位: m3/s质量流量质量流量:SI单位: kg/s2. 流速流速 单位时间单位截面上流过的流体体积或质量体积流速体积流速:SI单位: m/s， 指平均流速质量通量质量通量:SI单位: kg/m2ssVswuG单位时间内流过管道任意截面的体积。单位时间内流过管道任意截面的质量。单位时间内流过管道任意截面的体积流量。单位时间内流过管道任意截面的质量流量。注意注意: 由于气体的体积随温度和压强而变化，在管截面积不变的情况下，气

36、体的流速也要发生变化，采用质量流速为计算带来方便。根据定义：对于圆管:244ssVVudud,ssVVu AuA sswVuAswA uGuAA 3. 常用经济流速常用经济流速: 流速选择：流速选择：u d 设备费用 流动阻力 动力消耗 操作费 均衡均衡考虑考虑 u 适宜适宜总费用总费用u费费用用设备费设备费操作费操作费例例 某厂精馏塔进料量为某厂精馏塔进料量为50000kg/h，料液的密度为，料液的密度为960 kg/m3，其他性质与水相近。试选择适宜的进料管管径。其他性质与水相近。试选择适宜的进料管管径。解：解：3500000.0145/3600 960sswVms选选1084.0 mm的

37、无缝钢管。的无缝钢管。料液的性质与水相近，管内实际流速可选为：料液的性质与水相近，管内实际流速可选为：1.8/um s44 0.01450.1013.14 1.8sVdmu则：则：其实际流速为：其实际流速为：24 0.01451.85/3.14 0.1um s1. 稳定流动稳定流动 流动空间中任一点与流动有关的物理量不随 时间而改变的流动状态。(但可随位置改变)1-2-2 稳态流动与非稳态流动稳态流动与非稳态流动注意：注意：化工生产中，大部分情况为稳定流动 (称正常状态)，而一般在开、停工时为不稳定状态。2. 非稳态流动非稳态流动 除稳定流动之外的一切流动。除稳定流动之外的一切流动。1-2-3

38、 连续性方程连续性方程1 , ws1 , A12 , ws2 , A212对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下： 即： 1 A1 u1 = 2 A2 u2 =常数连续性方程连续性方程u1 A1 = u2 A2 = 常数对于不可压缩流体： 1 = 2 = 根据质量守恒定律：12ssww则: 质点紧密连接。(宏观) 流体在管内全充满，不间断。 不可压缩流体。需满足的条件:u1 A1 = u2 A2 = 常数圆形管道圆形管道:2121221 ddAAuu连续性方程：连续性方程：结论：结论：对不可压缩流体定态流动，流体流速与管道截面积成反比。结论：结论：体积流量一定时，流体流速与管径的

39、平方成反比。连续性方程的物理连续性方程的物理意义：意义： 反映了在稳定流动系统中，流体流经各截面的质量流量不变时管路各截面上流速的变化规律。注意：注意： 此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关。1-2-4 柏努利方程柏努利方程流体流动的能量守恒流体流动的能量守恒一、机械能衡算式一、机械能衡算式1. 流体本身具有的能量流体本身具有的能量 (1) 内能内能 (J/kg) 贮存于物质内部的能量。 1kg 流体具有的内能为Uz2z1p1, 1, u1 1200p2, 2, u2QeWe(2) 位能位能 (J/kg) 流体受重力作用在不同高度所 具有的能量。1kg 的流体所具有的

40、位能为 zg(3) 动能动能 (J/kg)1kg 的流体所具有的动能为 (J/kg) 22u(4) 静压能静压能 流体流经截面所带有的与所作功相当的能量。1kg 的流体所具有的静压能为: pmpV 2. 系统与外界交换的能量：系统与外界交换的能量： (1) 热能热能 换热器向1kg 流体提供的热量为 Qe (J/kg)。 (2) 外功（有效功）外功（有效功） 1kg 流体从流体输送机所获得的能量为We (J/kg)。3. 总能量衡算：总能量衡算： 以1kg 流体为基准进行能量衡算： 2222221121112121 pugzUQWpugzUee puzgUQWee 221机械能机械能内能和热能

41、内能和热能二、流动系统的机械能衡算与柏努利方程二、流动系统的机械能衡算与柏努利方程 1. 流动系统的机械能衡算式：流动系统的机械能衡算式： 流体不可压缩， 1= 2 流动系统无热交换，Qe = 0流体温度不变，U1=U2 流体流动有能量损失时，1kg流体损失能量为hf (J/kg)假设：假设：fehpugzWpugz 222212112121以1kg流体为基准进行能量衡算，则： 机械能：机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于流体输送。内能和热：内能和热：不能直接转变为输送流体的能量。各截面上的三种能量之和为常数。2. 柏努利方程式：柏努利方程式： 当流体为理想流体理想流体（流体在流动中没有摩

42、擦阻力），且没有外功加入，即： 222212112121pugzpugz 柏努利方程 由流体流动的机械能量衡算式：fehpugzWpugz 222212112121 hf =0，We =0 对于理想流体： 说明：说明：静压能静压能( (压强能压强能) ) 在静止或流动的流体内部，任一处都有相应的静压强。流体通过截面1-1时，需对流体作相应的功克服这个压力，才能把流体推进系统里去。于是通过截面1-1的流体必定要带着与所需功相当的能量进入系统，流体所具有的这种能量称为静压能或流动功。如图示，对质量为m，体积为V 的流体而:输入功为：对1 kg流体:pAP AVlAlV pVAVApPl )(输入的

43、静压能=输出的静压能=1111vpmVp 2222vpmVp 有：3. 柏努利方程的讨论：柏努利方程的讨论：(1) 若流体处于静止，u =0，hf =0，We=0， 则柏努利方程变为： 2211pgzpgz 柏努利方程即表示流体的运动规律； u = 0 时，表示流体静止状态的规律。(2) 理想流体在管道内作稳定流动，无外加能量，在任一截面上单位质量流体所具有的位能、动能、静压能之和为常数，称为总机械能； 静力学基本方程各种形式的机械能可互相转换。221u222u 1p 2pHgZ2g210有效功率有效功率 ： eseWwN 轴功率：轴功率： eNN (4) 柏努利方程式适用于不可压缩性流体。

44、(5) 对于可压缩性流体，当 时，仍可用该方程计算，但式中的密度 应以两截面的平均密度 m 代替。%20121 pppWe、hf 在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。(3)221wpfehpugZWpugZ 2222121121211-2-5 柏努利方程的应用柏努利方程的应用 教学内容：教学内容：掌握管内稳态流动的连续性方程及其应用；掌握柏努利方程及其应用。柏努利方程的解题要点；柏努利方程的实际应用过程计算。柏努利方程应用中衡算截面的选取。教学难点：教学难点：教学重点：教学重点： 管内流体的流量； 容器间的相对位置 输送设备的功率； 管路中流体的压强等。利用柏努利方程，可以确定：利用柏努利

45、方程，可以确定：1. 运用柏努利方程解题步骤运用柏努利方程解题步骤:(1) 作图：作图：根据题意画出流动系统示意图，标明流动方向确定衡算范围(2) 选择流体进、出系统的截面，注意选择流体进、出系统的截面，注意: 截面须与流体流动方向垂直 两截面间流体连续，封闭（除进、出口处除外）u 所求未知量应在截面上或在两截面之间，且截面上的p, u, z等有关物理量，除所求取的未知量外，都应该是已知或可通过其他关系计算出。u 两截面上 p, u, z 的与两截面间的 hf 都应相互对应一致。(3) 选取基准水平面。选取基准水平面。注意:水平面与地面平行尽可能选已使问题简化的水平面为计算基准水平管: 选管中

46、心线地面容器液面(4) 计量单位要求一致。计量单位要求一致。推荐采用SI 制，使结果简化。(5)关于阻力讨论的问题关于阻力讨论的问题 (后面详述)例例 已知管道尺寸为1144，流量为85 m3/h，水在管路中流动时的总摩擦损失为10 J/kg (不包括出口阻力损失)，喷头处压力较塔内压力高20 kPa，水从塔中流入下水道的摩擦损失可忽略不计。求泵的有效轴功率求泵的有效轴功率。1 12 2泵泵5m1m1m0.2m气体气体气体气体221122121 222efupupgZWgZh解解: : 在11和22截面之间，以截面11的中心线为基准线10642114d22285/36002.68/40.106

47、 4sVum sd2222.6879.8110282.26epWp废水池废水池433gZpgZ 在33和44截面之间，以截面44的为基准线kg/J.p77118192133321020pp8 23/.J kg1 12 2泵泵3 35m1m1m0.2m4 4气体气体气体气体282.26epW 9049 /.J kg泵泵的的有有效效轴轴功功率率为为：semW1000 85 90.49 360021372.14eseseNmWVWWkW废水池废水池确定确定管内流体的流量管内流体的流量例例 20的空气在直径为80 mm的水平管流过。现于管路中接一文丘里管，文丘里管的上游接一水银U管压差计，在直径为20

48、 mm的喉部接一玻璃管，玻璃管的下端插入水池中。空气流过文丘里管的能量损失不计。当U管压差计读数 R= 25 mm, h=0.5 m 时，求此时空气的流量为多少 m3/h。当地的大气压强为101.33 103Pa。h112200uRh112200uR解：解：文丘里管的上游测压口处的压力(表压) p1 =HggR = 13600 9.81 0.025 = 3335 Pa喉部的压力 (表压) p2 = 水gh = 10009.810.5=4905 Pa空气流过截面1-1和2-2的压力变化为:121ppp3335101330)4905101330()3335101330(= 0.079 = 7.9

49、% 20%在截面1-1和2-2间列柏努利方程：222212112121pugZpugZZ1=Z2=0空气平均分子量为 29kg/kmol, 两截面间的空气的平均密度为:= m =004 .22TppTMm101330293)49053335(211013302734 .2229所以：22112222mmupup214905221333522221.u.u 简化得：137332122 uu根据连续性方程：2211AuAu（1）22112112 dduAAuu21020080 .u1216uu （2）（2）代入（1）得：s/m.u3471空气的流量为：12143600udVh 3470804360

50、02. =132.8 m3/h确定管道流体的流量确定设备间的相对位置确定设备间的相对位置例例 有一输水系统，水箱内的水面维持恒定，输水管直径603mm，输水量为18.3 m3/h，水流经全部管道(不包括排出口) 的能量损失可按 hf =15u2计算，式中u为管道内水的流速(m/s) 。试求:(1)水箱内的液面必须高出排出口的高度H；(2)若输水量增加5%，管道的直径及其布置不变，管路损失仍按上式计算，则水箱内的水面将升高多少米?解：解：1、选取衡算截面及基准水平面 取水箱水面为上游截面1-1 ，排出管口内侧为下游截面2-2 ，并以截面2-2 的管道中心线为基准水平面，则有z1= H；z2=02

51、、在1-1与2-2之截面间列伯努利方程已知：p1=p2=0 , (均为表压) ,u10，hf=15u2，We=022244 18.3 36002.22/3.14 0.054ssVVum sAd2211221222efupupgzWgzh222.229.8115 2.2276.397.792HHm即水箱内的水面至少应高出管道排出口7.79m。作业：作业：77页8，9，10，11，12 确定管路中流体的确定管路中流体的压强压强解：解：(1)首先计算管内水的流速例例: 水在图中虹吸管内作定态流动，管径无变化，忽略水流动时的能量损失，计算管内所示各截面处的压强。6 64 41 3 3 12 25 55

52、0010003000在截面1-1排出口及管子出口内侧截面6-6间列柏努利方程： 626612112121pugZpugZ 式中：Z1=1 m, Z6=0, p1= 0 (表压), p6= 0 (表压), u1 0代入上式，化简得：26218191u. s/m.u4346 由于管路直径无变化，则管路各截面积相等。常数 uAVs根据连续性方程知：管路各截面的流速不变，即：s/m.uuuuu43465432 kg/J.uuuuu81921212121212625242322 则：因能量损失可忽略不计，系统内各截面上流体的机械能相等：即：常数 puZgE221取截面2-2 为基准水平面，则：Z =3

53、m, p =101330 Pa, u 0所以总机械能为：kg/J.E813010001013308193 计算各截面的压强时，仍以截面2-2为基准水平面，式中：Z2=0, Z3=3 m, Z4=3.5 m, Z5=3 m 。 )21(2555ugZEp )21(2333ugZEp )21(2222ugZEp （1）截面2-2 的压强1000)8198130( .Pa91560 Pa120990 （2）截面3-3 的压强1000) 381. 981. 98 .130(（3）截面4-4 的压强 )21(2444ugZEp 1000)538198198130( .Pa86660 （4）截面5-5 的

54、压强Pa91560 1000)38198198130( .确定管道流体的压强第三节 管内流体的流动现象教学难点：教学难点：边界层及边界层分离。 学会判别流体流动的类型。 了解流体在圆管内的速度分布。 了解边界层的概念。 牛顿粘性定律。 流动类型与雷诺数。 流体在圆管内流动时的速度分布 边界层的概念。教学重点：教学重点：Re的计算及流动形态的判别。教学内容：教学内容：教学目的：教学目的：1-3-1 牛顿粘性定律和流体的牛顿粘性定律和流体的粘度粘度一、牛顿粘性定律一、牛顿粘性定律 流体粘性的表现，阻力产生的依据粘度：粘度：描述流体粘性大小（内摩擦大小）的物理量。(1) 现象现象: 流动的河流，从中

55、心到岸边不同距离的河水流速不同(2) 本质本质: 流体运动时流体内部相邻流体层相互之间存在内摩擦力流动性：流动性：无固定形状,在外力作用下流体内部产生相对运动。粘性：粘性：在运动状态下,流体具有一种抗拒内在的向前运动的特性。1. 基本概念基本概念 影响流体流动时的内摩擦力大小的因素影响流体流动时的内摩擦力大小的因素: :（例流体的物（例流体的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素），其中属于物理理性质、流动状况及壁面的形状等因素），其中属于物理性质方面的是流体的黏性。衡量流体黏性大小的物理量称性质方面的是流体的黏性。衡量流体黏性大小的物理量称为黏度。为黏度。(3) 牛顿粘性定律牛顿粘性定律流体流

56、动时的内摩擦力(剪应力）大小与哪些因素有关? 条件条件: 两块平板平行放置 面积很大，相距很近，板间充满某种静止流体Pdudyu 实验证明，对于一定的液体，内摩擦应力 与两流体层的速度梯度成正比，即：:与流动方向相垂直的 y 方向上流体速度的变化率dudy速度梯度速度梯度dudy 牛顿粘性定律牛顿粘性定律流体分类：流体分类：牛顿型流体牛顿型流体(Newtonian fluid)(Newtonian fluid) 非牛顿型流体非牛顿型流体(non-Newtonian fluid)(non-Newtonian fluid)(4) 流体粘度流体粘度（粘度，绝对粘度，动力粘度， 物理粘度）dydu 的

57、物理意义：的物理意义： 流体速度梯度为1 m /sm 时，作用于单位面积上的流体内摩擦力（剪应力） 。 换算换算: 1 P = 100 cP = 0.1 Pas 1 cP = 110-3 Pas 的单位：的单位：SI制 Pas ， 物理制 P、cP (泊、厘泊)注意：注意：粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来。v 运动粘度运动粘度换算换算: 1 St = 100 cSt = 110-4 m2/s 1 St= 1 cm2/s物理制 斯托克斯 St，cStv v 的单位：的单位： SI制 m2/s混合流体粘度的估算：混合流体粘度的估算：流体混和物选用适当的经验公式进行估算 常压混合气体

58、粘度：常压混合气体粘度： 2121iiiiimMyMy 分子不缔合的液体混合物：分子不缔合的液体混合物：iimx lglg二、影响粘度的因素：二、影响粘度的因素：粘度为物性常数之一，随物质种类和状态而变。由实验测定、查有关手册或资料、用经验公式计算。工程中一般忽略压强对粘度的影响1. 流体性质流体性质:一般：分子量小的液体分子量大的液体气体液体2. 温度温度: 液体的粘度随温度升高而减小 气体的粘度随温度升高而增大3. 压强压强:cp1水cp321010油cp210气一、一、Reynolds 实验实验（改变（改变 u、d、）1-3-2 流动类型和雷诺准数流动类型和雷诺准数 Re实验观察到随流体

59、质点运动速度的变化显示出两种基本类型：(a) 滞流或层流； (c) 湍流或紊流 流体性质流体性质雷诺数雷诺数Re ：由实验归纳出一个判定流体流动型态的准数。二、二、 Reynold 准数准数流体流型的判据1. 实验发现实验发现: 一定温度和压力下，影响流动型态的主要因素(1) 流体流速；(2) 管道直径； (3) 流体粘度； (4) 流体密度。操作参数操作参数设备情况设备情况 0003 MLLMLMLLduRe无因次准数或无因次数群无因次准数或无因次数群雷诺数雷诺数Re的的特征：特征：无因次，没有单位的纯数。其值不会因采用的单位制度不同而改变，但必须是统一单位。2. Re数大小与流动型态数大小

60、与流动型态:Re 2000 层流2000 Re 4000 湍流一般3. 雷诺数的计算雷诺数的计算例例 20oC的水在内径为50 mm的管内流动，流速为2 m/s，试计算雷诺数Re。查附录六 20oC的水的密度 黏度3998.2/;kg m属湍流。32998m/kg. smPa. 00521 400099320100051299820503 .duRe 1-3-3 层流、湍流的比较层流、湍流的比较层流层流: 流体在管内流动时，其质点沿与管道中心线和平行的方向运动，与其侧旁位置的流体不发生宏观混合，又称滞流。一、一、 流体内部质点的运动方式：流体内部质点的运动方式：层流特点：层流特点：管内流体质点